Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-carbonsäure-derivaten sowie neue Zwischenprodukte hierfür und Verfahren zu deren Herstellung

Abstract

 ie Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-carbonsäure-derivaten der Formel 1

in welcher Z, R¹ und R² die in der Beschreibung angegebene Definition haben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Perfluoralkylsulfone der Formel II

in welcher R und R^3-R⁸, die in der Beschreibung angegebene Bedeutung haben,
mit β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivaten der Formel III

in welcher Z die in der Beschreibung angegebene Bedeutung hat, in Gegenwart von Basen und gegebenenfalls in Gegenwart von Verdünnungsmitteln bei Temperaturen zwischen -20 und +30°C umsetzt, sowie neue Perfluoralkyl-sulfone der Formel II und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung'von Cyclopropan-carbonsäure-derivaten sowie Perfluoralkylsulfone als neue Zwischenprodukte hierfür und ein neues Verfahren zu deren Herstellung.

[0002] Es ist bereits bekannt, daß man 2,2-Dimethyl-3-(2- nethyl-1-propenyl)-cyclopropan-1-carbonsäure-derivate erhält, wenn man Aryl-(3-methyl-2-butenyl)-sulfone mit β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivaten in Gegenwart von Basen umsetzt (vgl. DE-AS 1 289 046).

[0003] Zur Durchführung dieses Verfahrens werden, sehr starke Basen und wasserfreie Lösungsmittel benötigt. Die Ausbeuten sind, insbesondere bei der Herstellung der als Ausgangsverbindungen benötigten Aryl-(3-methyl-2-butenyl)sulfone, unbefriedigend.

[0004] Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind

(1) ein Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-1-carbonsäure-derivaten der Formel I

in welcher

Z für Alkoxycarbonyl oder Cyano steht und

R¹ für Wasserstoff oder für Alkenyl steht und

R² für Wasserstoff oder gemeinsam mit R¹ für Cycloalkyl oder Cycloalkenyl, an die gegebenenfalls ein Benzolring annelliert sein kann, steht.

dadurch gekennzeichnet, daß man Perfluoralkylsulfone der Formel II

in welcher

R für den Rest -SO₂-R_F,

R³ für Wasserstoff oder Alkyl steht,

R⁴ für Alkyl steht oder zusammen'mit R⁸ eine Alkendiylbrücke bildet, deren Doppelbindung gegebenenfalls an einen Benzolring annelliert ist,

R⁵ und R⁶ entweder für Wasserstoff stehen oder gemeinsam eine Doppelbindung bilden.

R⁷ für Wasserstoff oder Alkyl steht,

R⁸ für Wasserstoff oder Alkyl steht und

R_F für Perfluoralkyl steht,

mit der Maßgabe, daß R⁵ und R⁶ entweder eine Doppelbindung bilden oder R⁸ und ^RR⁴ eine Alkendiylbrücke, deren Doppelbindung gegebenenfalls an einen Benzolring annelliert ist. bilden,
mit β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivaten der Formel III

in welcher

Z die oben angegebene Bedeutung hat,

in Gegenwart von Basen und gegebenenfalls in Gegenwart von Verdünnungsmitteln bei Temperaturen zwischen -20 und +30°C umsetzt;

(2) neue Perfluoralkyl-suifcne der Formel II

in welcher-R, R^3-R⁸ die oben angegebene Bedeutung besitzen.

(3) ein Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkylsulfonen der Formel II (oben), dadurch gekennzeichnet, daß man Perfluoralkan-sulfinsäuren der Formel IV

in welcher R_F für Perfluoralkyl steht, mit Dienen der Formel V

in welcher R^{9 -} R¹³ für Wasserstoff oder Alkyl stehen, wobei R⁹ gemeinsam mit R¹³ für eine Alkylenbrücke stehen kann, an die gegebenenfalls ein Cycloalkenring annelliert ist,

gegebenenfalls in Gegenwart von Verdünnungsmitteln bei Temperaturen zwischen -20 und +20°C umsetzt.

[0005] Es ist als überraschend anzusehen, daß durch die Verwendung von Perfluoralkylsulfonen der Formel (II) Cyclopropan-1-carbonsäurederivate der Formel (I) in guten Ausbeuten und in hoher Reinheit hergestellt werden können, da bei der bekannten Synthesemethode, bei welcher entsprechende Arylsulfone eingesetzt werden, nur mäßige, schwer reproduzierbare Ausbeuten zu erzielen sind.

[0006] Weiter ist es als überraschend zu bezeichnen, daß die neuen Perfluoralkylsulfone der Formel (II) durch eine einfach durchzuführende Additionsreaktion von Perfluoralkansulfinsäuren an Diene in hohen Ausbeuten synthetisiert werden können. Die Kombination der beiden neuen Verfahren eröffnet eine technisch vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung von Derivaten der Cyclopropancarbcnsäure, welche Zwischenprodukte für Pyrethroide sind.

[0007] Verwendet man beispielsweise als Ausgangsstoffe bei Verfahren (3) Perfluormethansulfinsäure und Isopren und bei der mit dem hierbei gebildeten (3-Methyl-2-butenyl)-trifluormethyl-sulfon durchzuführenden Umsetzung nach Verfahren (1) als weitere Reaktionskomponente β,β-Dimethyl-acrylsäurenitril, so können die Reaktionsabläufe durch folgendes Formelschema skizziert werden:

[0008] Das unter (1) dargelegte neue Verfahren ("Verfahren(1)") wird vorzugsweise unter Verwendung von Verdünnungsmitteln durchgeführt. Als solche komen praktisch alle crganischen Lösungsmittel in Frage. Besonders geeignet sind Alkohole, wie z.B. Methanol, Ethanol, n- und iso-Propanol, sowie insbesondere aprotisch polare Lösungsmittel. Hierzu gehören beispielsweise Ether, wie z.B. Diethylether, Glycoldimethylether, Tetrahydrofuran und Dioxan, Nitrile, wie.z.B. Acetonitril und Propionitril, Carbonsäureamide, wie z.B. Dimethylformamid und Dimethylacetamid, Sulfoxide und Sulfone, wie z.B. Dimethylsulfoxid und Tetramethylsulfon, sowie Phosphorsäureamide, wie z.B. Hexamethylphosphorsäuretriamid. Tetrahydrofuran wird als Lösungsmittel besonders bevorzugt.

[0009] Bei Verfahren (1) können die in der organisch-chemischen Synthese üblichen Basen verwendet werden. Hierzu gehören insbesondere Alkali- und Erdalkali-hydroxide, wie z.B. Natrium, Kalium- und Caloium-hydroxid, Alkalialkoholate, wie Z.B. Natrium- und Kalium-methylat, Natrium- und Kalium-ethylat, Natrium- und Xalium-tert.-butylat, ferner aliphatische, aromatische und heterocyclische Amine, wie z.B. Triethylamin, Ethyldiisopropylamin, N,N-Dimethyl-benzylamin, N,N-Dimethyl-anilin, Pyridin, N-Methyl-piperidin und Diazabicyclononan. Alkohclate werden als Basen bei Verfahren (1)besonders bevorzugt. Die Reaktionstemperatur wird bei Verfahren (1) zwischen -20 und +30°C, vorzugsweise zwischen -15 und +25°C gehalten. Das Verfahren wird im allgemeinen bei Nsrmaldruck durchgeführt.

[0010] Auf 1 Mol psrflucr alkyl-sulfon der Formel (II) setzt man im allgemeinen zwischen 1 und 5 Mol, vorzugsweise zwischen 1,5 und 4 Mol, β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivat der Formel (III) ein.

[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform von Verfahren (1) wird die Hauptmenge der einzusetzenden Base in einem der oben genannten Verdünnungsmittel unter Inertgasatmosphäre, z.B. unter Stickstoff, vorgelegt und auf 0 bis-15°C abgekühlt. Dann werden nacheinander das Acrylsäurederivat der Formel (III) und das Sulfon der Formel (II) langsam zugetropft. Das komplette Reaktionsgemisch wird jeweils mehrere Stunden bei 0 bis-15°C, dann bei -5 bis +5°C und schließlich bei + 15 bis + 25°C gerührt. Dann kühlt man das Gemisch wieder auf die Anfangstemperatur ab, gibt etwa 1/10 der anfangs eingesetzten Basenmenge dazu und rührt wie oben angegeben bei verschiedenen Temperaturen.

[0012] Dieser Vorgang wird gegebenenfalls mehrfach wiederholt. Die Aufarbeitung kann nach üblichen Methoden durchgeführt werden, beispielsweise, indem man das Reaktionsgemisch in Wasser gießt, mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, wie z.B. Diethylether, extrahiert, die nicht-wässrige Phase trocknet und nach Filtration das Lösungsmittel abdestilliert. Das hierbei zurückbleibende Produkt kann durch Vakuum-destillation gereinigt werden. Zur Charakterisierung dienen das IR-und das NMR-Spektrum.

[0013] Die neuen Perfluoralkylsulfone, welche als Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren (1) zu verwenden sind, sind durch Formel (II) definiert. Bevorzugt sind Perfluoralkylsulfone der Formel VI

in welcher R_F für Perfluoralkyl mit 1-8 C-Atomen steht.

[0014] Als Beispiele für die Verbindungen der Formel (II) seien Perfluormethyl-(3-mathyl-2-butenyl)-sulfon, Perfluorbutyl-(3-methyl-2-butenyl)-sulfon und Perfluoroctyl-(3-methyl-2-butenyl)-sulfon genannt.

[0015] Man erhält die neuen Perfluoralkyl- sulfone der Formel (II) nach dem oben unter (3) dargelegten Verfahren ("Verfahren (3)") durch Umsetzung von Psrfluoralalkansulfinsäuren mit Dienen.

[0016] Die hierbei als Ausgangsstoffe einzusetzenden Perfluoralkansulfinsäuren sind durch Formel (IV) definiert.

Vorzugsweise stehen darin

[0017] R_F, für Perfluoralkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen.

[0018] Als Beispiele für die Ausgangsstoffe der Formel (IV) seien Perfluormethansulfinsäure, Perfluorbutansulfinsäure und Perfluoroctansulfinsäure genannt.

[0019] Perfluoralkansulfinsäuren sind bekannte Verbindungen (vgl. Liebigs Ann. Chem. 1973 , 33).

[0020] Die weiter als Ausgangsstoffe zu verwendenden Diene sind durch Formel (V) definiert. Vorzugsweise stehen darin

R⁹ für Wasserstoff, Methyl oder zusammen mit R¹³ für Methylen oder Äthylen,

_R¹⁰ und _R¹¹ für Wasserstoff oder Methyl, und

R¹² und R¹³ für Wasserstoff oder Methyl, wobei _R¹² und R¹¹ gemeinsam mit den an sie angrenzenden C-Atomen einen Benzolring bilden können.

[0021] Als Beispiele für die Ausgangsverbindungen der Formel (V) seien genannt:

1,3-Butadien, 1,3-Pentadien, 2,4-Hexadien, 2,3-Dimethyl-1,3-butadien, 2-Methyl-1,3-butadien, Cyolcpentadien, Irden und Cyclohexadien.

[0022] Verfahren (3) kann ohne Verwendung von Lösungsmitteln durchgeführt werden. Es können jedoch auch die oben für Verfahren (1) angegebenen polaren Lösungsmittel wie auch unpolare oder geringfügig polare Solventien, wie aliphatische oder aromatische, gegebenenfalls halogenierte, Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Pentan, Hexan, Heptan, Toluol, Chlorbenzol, Methylenchlorid, Chloroform und 1,2-TSichlorethan verwendet werden.

[0023] Die Reaktionstemperatur wird bei Verfahren (3) zwischen -20 und +20^oC, vorzugsweise zwischen -10 und - 10°C gehalten. Das Verfahren wird im allgemeinen bei Normaldruck durchgeführt.

[0024] Je Mol Ferfluoralkansulfinsäure der Formel (IV) werden bei Verfahren (3) 1 bis 5 Mol, vorzugsweise 1,5 bis 3 Mol Dien der Formel (V) eingesetzt.

[0025] In einer bevorzugten Ausführungsform von Verfahren (3) wird die Perfluoralkansulfinsäure vorgelegt und mit Dien der Formel (V) im Überschuß tropfenweise versetzt. Die Aufarbeitung erfolgt auf übliche Weise: man gibt das Reaktionsgemisch in Eiswasser, neutraliSiert und extrahiert mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, wie z.B. Diethylether. Von der nichtwässrigen Phase wird nach Trocknen und Filtrieren das Lösungsmittel abdestilliert. Das als Rückstand verbleibende Produkt kann durch Vakuumdestillation gereinigt werden. Es wird durch IR- und NMR-Spektrum charakterisiert.

[0026] Die bei Verfahren (1) neben den neuen Sulfonen der Formel (II) als weitere Ausgangsstoffe einzusetzenden β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivate sind durch Formal (III) definiert. Vorzugsweise steht darin

[0027] Z für Alkoxycarbonyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen in Alkoxyrest oder für Cyano.

[0028] Als Beispiele für die Ausgangsstoffe der Formel (III) seien β,β-Diethyl-acrylsäure-methylester, -ethylester, -n-propylester, -iso-propylester, -n-butylester, -isc-butylester, -sek. -butylester und tert.- butylester sowie β,β-Dimethyl-acrylsäurenitril genannt. Der Methylester und der Ehylester werden bescnders bwevorzugt.

[0029] β,β-Dimeihyl-acrylsäure-derivate der Formel (III) sind bekannt (vgl. DE-AS 1 289 046).

[0030] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Cycloprcpan-1-carbonsäure-derivate der Formel (I) können als Zwischenprodukte zur Herstellung von insektizid und akarizid wirksamen Pyrethroiden verwendet werden (vgl. DE-AS 1 289 046 und DE-OS 2 605 828).

Beispiel 1

[0031] 

22 g β,β-Dimethyl-acrylsäure-ethylester werden zu einer Mischung aus 10 g Kalium-tert.-butylat und 100 ml Tetrahydrofuran, welche man auf -10°C abgekühlt und mit Stickstoff begast hat, tropfenweise gegeben. Anschließend wird eine Lösung von 17 g Ferfluorbutyl-(3-methyl-2-butenyl)sulfon in 20 ml Tetrahydrofuran sehr langsam unter kräftigem Rühren zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird noch 12 Stunden bei -10°C, noch einmal 12 Stunden bei 0°C und 24 Stunden bei Zimmertemperatur gerührt. Es wird dann wieder auf -10°C abgekühlt und eine Lösung von 1 g Kaliuntert.-butylat in 20 ml Tetrahydrofuran zugetropft. Die Temperaturerhöhung wird wie oben beschrieben durchgeführt. Dieser Vorgang wird noch zweimal wiederholt. Das Gemisch wird in Wasser gegossen und mit Diethylether eine Extraktion durchgeführt. Der Etherextrakt wird über Magnesiumsulfat getrocknet, filtriert und eingeengt. Nach Destillation unter vermindertem Druck erhält man 2,2-Dimethyl-3-(2-methyl-1-propenyl)-cyclmpronan-1-carbonsäure-ethylester von Siedepunkt 70°C / 5 Torr als farblose Flüssigkeit in einer Ausbeute von 60 % der Theorie.

Charakterisierung durch die Spektren:

[0032] ¹H-NER (CCl₄) : δ = 1,2 (m,10H, Methylprotonen und Cyclopropylproton), 1,72 (s, 7H, Methylprotonen und Cyclopropylproton),4,08 (q, 2H,Methylenprotonen), 4,87 (d, 1H, Vinylproton) ppm.

[0033] IR (Film): 3010 (olefin,C-H), 1735 (Etercarbonyl), 1670 (Doppelbindung), 1455 (-CH₃), 1390 (-CH₃) cm^-1

Beispiel 2

[0034] 

25 g Perzlucrbutansulfiaäure (0,088 mol) werden in einem 100 ml Dreihalskolben vorgelegt und auf 0°C abgekühlt. Dann wird frisch destilliertes Isopren im. Überschuß zugetropft, wobei eine Tropfgeschwindigkeit von 1 Tropfen pro Minute eingehalten werden sollte. Nach dem Zutropfen wird die Lösung sofort in Eiswasser gegossen, mit NaHCO₃ neutralisiert und ausgeethert. Nach dem Trocknen mit MgSO₄ wird abfiltriert, der Nach dem Trocknen mit MhSO₄ wird abfiltriert, der Äther am Rotaticnsverdampfer abgezogen und der Rückstand destilliert. Man erhält Perfluorbutyl-(3-methyl-2-butenyl)sulfon vom Siedepunkt 41°C / 0,1 Torr als gelbstichige Flüssigkeit in einer Ausbeute von 60 bis 70 % der Theorie.

[0035] Charakterisierung durch die Spektren:

¹H-NMR (CCl₄): δ = 1.79 (S, 3H, Methylprotonen), 1.87 (s, 3H, Methylprotonen), 4.05 (d, 2H, Methylenprotonen), 5.27 (t, 1H, Vinylproton) ppm.

IR (Film): 3000 (olefin.C-H), 2930 (aliahat.C-H), 1660 (Doppelbindung), 1450 (-CH₃), 1370, 1145 (SO₂), 1200-1250 (C₄F₃) cm^-1.

[0036] Analog können hergestellt werden:

Ansprüche

(1) Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-1-carbonsäure-derivaten der Formel I

in welcher

Z für Alkoxycarbonyl oder Cyano steht und

R¹ für Wasserstoff oder für Alkenyl steht und

R² für Wasserstoff oder gemeinsam mit R¹ für Cycloalkyl oder Cycloalkenyl, an die gegebenenfalls ein Benzolring annelliert sein kann, steht.

dadurch gekennzeichnet, daß man Perfluoralkylsulfone der Formel II

in welcher

R für den Rest -SO₂-R_F,

R³ für Wasserstoff oder Alkyl steht,

R⁴ für Alkyl steht oder zusammen mit R⁸ eine Alkendiylbrücke bildet, deren Doppelbindung gegebenenfalls an einen Benzolring annelliert ist,

R⁵ und R⁶ entweder für Wasserstoff stehen oder gemeinsam eine Doppelbindung bilden.

R⁷ für Wasserstoff oder Alkyl steht,

R⁷ für Wasserstoff oder Alkyl steht und

R_F für Perfluoralkyl steht,

mit der Maßgabe, daß R⁵ und R⁶ entweder eine Doppelbindung bilden oder R⁸ und ^RR⁴ eine Alkendiylbrücke, deren Dopbilden oder R und _RR⁴ eine Alkendiylbrücke, deren Doppelbindung gegebenenfalls an einen Benzolring annelliert ist. bilden. mit β,β-Dimethyl-acrylsäure-derivaten der Formel III

in welcher
Z die oben angegebene Bedeutung hat,
in Gegenwart von Basen und gegebenenfalls in Gegenwart von Verdünnungsmitteln bei Temperaturen zwischen -20 und ±30°C umsetzt.

(2) Perfluoralkyl-sulfone der Formel II

in welcher R, R^3-R⁸ die oben angegebene Bedeutung besitzen.

(3) Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkylsulfonen der Formel II (oben), dadurch gekennzeichnet, daß man Perfluoralkan-sulfinsäuren der Formel IV

in welcher

R_F für Perfluoralkyl steht,

mit Dienen der Formel V

in welcher

_R^{9 -} R¹³ für Wasserstoff oder Alkyl stehen, wobei

_R⁹ gemeinsam mit R¹³ für eine Alkvienbrücke

stehen kann, an die gegebenenfalls ein Cycloalkenring annelliert ist, gegebenenfalls in Gegenwart von Verdünnungsnitteln bei Temperaturen zwischen -20 und +20°C umsetzt.